DE102012201856B4

DE102012201856B4 - Konturkollimator und adaptives Filter mit elektroaktiven Polymerelementen und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102012201856B4
Application number: DE102012201856.5A
Authority: DE
Inventors: Sultan Haider
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: US20130202091A1; US8971497B2; DE102012201856A1; CN103247361A; CN103247361B

Abstract

Konturkollimator (1) zur Einstellung einer Kontur (10) eines Strahlengangs einer Röntgenstrahlung (12), gekennzeichnet durch: – eine für Röntgenstrahlung (12) undurchlässige Flüssigkeit (9), und – mit der Flüssigkeit (9) in Wirkverbindung stehende elektroaktive Polymerelemente (7), die derart angeordnet und ausgebildet sind, – dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an mindestens eines der elektroaktiven Polymerelemente (7) die Flüssigkeit (9) teilweise verdrängbar ist, wodurch eine die Kontur (10) bildende Apertur (11) in der Flüssigkeit (9) gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Konturkollimator oder ein adaptives Filter sowie ein zugehöriges Verfahren zur Einstellung einer Kontur eines Strahlengangs einer Röntgenstrahlung.
Ein Konturkollimator wird in der Strahlentherapie zur Behandlung von Tumoren eingesetzt. In der Strahlentherapie wird ein Tumor mit energiereicher Strahlung, in der Regel mit einer hochenergetischen Röntgenstrahlung eines Linearbeschleunigers, bestrahlt. Der Konturkollimator wird dabei in den Strahlengang der Röntgenstrahlung eingebracht. Er weist eine strahlungsdurchlässige Öffnung auf, deren Kontur der Kontur des Tumors entsprechen soll. Die Kontur bildet somit eine Apertur zum Durchtritt der Röntgenstrahlung. Dadurch wird sicher gestellt, dass nur der Tumor mit den Röntgenstrahlen und nicht das angrenzende gesunde Körpergewebe bestrahlt wird. Durch geeignete Ausbildung des Konturkollimators lässt sich nahezu jede beliebige Kontur eines Tumors nachbilden.
Weit verbreitete Kollimatoren für die Strahlentherapie sind die sogenannten Lamellenkollimatoren, wie beispielsweise in der Patentschrift DE 10 2006 039 793 B3 beschrieben. Der Lamellenkollimator weist mehrere, zum Beispiel 160, gegeneinander motorisch verschiebbare Lamellen zur Bildung der Öffnung auf. Die Lamellen bestehen aus einem die Röntgenstrahlung absorbierenden Material. Gattungsgemäß sind zwei Pakete von Lamellen gegenüber so angeordnet, dass sie mit ihren Stirnseiten aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden können.
Jede dieser Lamellen ist einzeln mittels eines Elektromotors verschiebbar. Da es bei der Positionierung der Lamellen leichte Abweichungen zwischen einer Sollvorgabe und der tatsächlich eingestellten Ist-Position der Lamellen geben kann, weist jede Lamelle ein Positionsmessmittel auf, mit dem die tatsächlich eingestellte Position genau bestimmt werden kann.
Bei Untersuchungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen kommt es häufig vor, dass der Patient bzw. dessen Organe im zu untersuchenden Bereich ein stark unterschiedliches Absorptionsverhalten hinsichtlich der applizierten Röntgenstrahlung aufweist. Beispielsweise ist bei Thoraxaufnahmen die Schwächung im Bereich vor den Lungenflügeln sehr groß, bedingt durch die dort angeordneten Organe, während sie im Bereich der Lungenflügel selbst klein ist. Sowohl für den Erhalt einer aussagekräftigen Aufnahme als auch insbesondere zur Schonung des Patienten ist es sinnvoll, die applizierte Dosis bereichsabhängig derart einzustellen, dass nicht mehr Röntgenstrahlung als nötig zugeführt wird. Das heißt, in den Bereichen mit großer Schwächung ist eine größere Dosis als in Bereichen mit geringer Schwächung zu applizieren. Daneben gibt es Anwendungen, bei denen nur ein Teil des untersuchten Bereiches mit großer diagnostischer Qualität, das heißt mit wenig Rauschen aufgenommen werden muss. Die umgebenden Teile sind für die Orientierung, nicht aber für die eigentliche Diagnose wichtig. Diese umgebenden Bereiche könnten also mit einer geringeren Dosis abgebildet werden, um auf diese Weise die gesamte applizierte Dosis zu reduzieren.
Zur Schwächung der Röntgenstrahlung werden Filter eingesetzt. Ein derartiger Filter ist beispielsweise aus der DE 44 22 780 A1 bekannt. Diese weist ein Gehäuse mit einer ansteuerbaren Elektrodenmatrix auf, mittels welcher ein elektrisches Feld erzeugbar ist, das auf eine mit der Elektrodenmatrix in Verbindung stehende Flüssigkeit wirkt, in welcher Röntgenstrahlen absorbierende Ionen vorhanden sind. Diese sind frei beweglich und wandern abhängig von dem angelegten Feld. Auf diese Weise ist es möglich, durch entsprechende Feldausbildung im Bereich einer oder mehrerer Elektroden entsprechend viele oder wenige Ionen zu akkumulieren, um auf diese Weise lokal das Absorptionsverhalten des Filters zu ändern.
Aus dem Stand der Technik sind Polymere bekannt, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern. Sie werden elektroaktive Polymere (EAP) genannt. Ein Beispiel für ein elektroaktives Polymer ist ein dielektrisches Elastomer. Ein dielektrisches Elastomer wandelt elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit um. Ein Aktor auf Basis eines dielektrischen Elastomers lässt sich beispielsweise dadurch bauen, dass ein Elastomerfilm beidseitig mit Elektroden beschichtet wird, an die dann eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Durch die angelegte Spannung wird der Elastomerfilm in Dickenrichtung zusammengedrückt, wobei er sich seitlich ausdehnt. Bei diesem Vorgang kann der Elastomerfilm Arbeit verrichten und damit als Aktor wirken. Wird die Spannung zwischen den Elektroden wieder entfernt, nimmt der Elastomerfilm wieder seine ursprüngliche Form an.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen weiteren Konturkollimator und ein weiteres adaptives Filter anzugeben, die robust und rasch eine Kontur nachbilden können. Es besteht außerdem die Aufgabe, ein zugehöriges Verfahren zur Bildung einer Kontur anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vorrichtung und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Prinzip der Erfindung besteht darin, mit Hilfe elektroaktiver Polymerelemente (EAP-Elemente) in einer Röntgenstrahlung absorbierenden Flüssigkeit bzw. in einer für Röntgenstrahlung undurchlässigen Flüssigkeit eine die Kontur bildende Apertur zu erzeugen. Dabei wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die EAP-Elemente die Flüssigkeit bzw. werden Teile der Flüssigkeit derart verdrängt, dass die Röntgenstrahlen durchlässige Apertur entsteht. EAP sind Polymere, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern können.
Die Erfindung beansprucht einen Konturkollimator oder ein adaptives Filter zur Einstellung einer Kontur eines Strahlengangs einer Röntgenstrahlung. Die Vorrichtung umfasst eine für Röntgenstrahlung undurchlässige Flüssigkeit und mit der Flüssigkeit in Wirkverbindung stehende elektroaktive Polymerelemente, die derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine die Kontur bildende Apertur in der Flüssigkeit bilden. Die durch die Spannung aktivierten Polymerelemente verdrängen durch Formänderung teilweise die Flüssigkeit. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Kontur eines Konturkollimators oder eines adaptiven Filters schnell und robust eingestellt werden kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Flüssigkeit eine eutektische Legierung aus Gallium, Indium und Zinn. Unter dem Handelsnamen Galinstan^® ist eine derartige Flüssigkeit erhältlich.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Konturkollimator oder das adaptive Filter eine erste schichtförmige Einheit umfassen, die mit der Flüssigkeit gefüllt ist.
Des Weiteren kann der Konturkollimator oder das adaptive Filter eine zweite schichtförmige Einheit umfassen, die die elektroaktiven Polymerelemente und elektrischen Leitungen zur Zuführung der Spannung aufweist.
Bevorzugt kann der Konturkollimator oder das adaptive Filter eine für Röntgenstrahlung durchlässige dritte schichtförmige Einheit mit einer Vielzahl von in Gitterform angeordneten Ausbuchtungen umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die erste schichtförmige Einheit zwischen der zweiten und der dritten schichtförmigen Einheit derart angeordnet sein, dass bei Anliegen der elektrischen Spannung die elektroaktiven Polymerelemente in die Ausbuchtungen der dritten schichtförmigen Einheit pressbar sind. Dabei wird die Flüssigkeit aus den Bereichen der Ausbuchtungen verdrängt, so dass die Apertur in der ersten schichtförmigen Einheit entsteht
In einer Weiterbildung kann der Konturkollimator oder das adaptive Filter mindestens eine Spannungsquelle und Schaltelemente umfassen, über die die elektroaktiven Polymerelemente von der Spannungsquelle mit Spannung versorgt werden.
Des Weiteren kann der Konturkollimator oder das adaptive Filter eine elektrische Steuereinheit umfassen, die die Schaltelemente derart steuert bzw. einschaltet, dass die Apertur gebildet wird.
Bevorzugt können mehrere erste, zweite und dritte schichtförmige Einheiten gestapelt sein.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Einstellung einer Kontur eines Strahlengangs einer Röntgenstrahlung mit einem Konturkollimator oder einem adaptiven Filter, wobei durch Anlegen einer elektrischen Spannung an mehrere elektroaktive Polymerelemente eine die Kontur bildende Apertur in einer für Röntgenstrahlung undurchlässigen Flüssigkeit gebildet wird, wobei die durch die Spannung aktivierten elektroaktiven Polymerelemente die Flüssigkeit teilweise verdrängen.
Außerdem können mittels die Spannung führender Schaltelemente die elektroaktiven Polymerelemente aktiviert und deaktiviert werden, das heißt von der Spannungsquelle getrennt oder mit der Spannungsquelle verbunden werden.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: eine räumliche Ansicht eines Konturkollimators,
2: eine räumliche Ansicht eines adaptiven Filters,
3: eine räumliche Explosionsansicht einer den Konturkollimator oder das Filter bildenden Platte,
4: eine Draufsicht der zweiten schichtförmigen Einheit mit den angeordneten elektroaktiven Polymerelementen und ihrer Verdrahtung,
5: eine Schnittansicht der zweiten schichtförmigen Einheit mit der elektrischen Verdrahtung,
6: eine Schnittansicht der gestapelten schichtförmigen Einheiten mit einer Spannungsquelle und
7 eine Schnittansicht der gestapelten schichtförmigen Einheiten mit mehreren Spannungsquellen.
1 zeigt eine räumliche Darstellung eines Konturkollimators 1 mit mehreren gestapelten Kollimatorplatten 3. In den Kollimatorplatten 3 sind die Kontur 10 bildende Aperturen 11 ausgebildet. Die Apertur 11 lässt eine Röntgenstrahlung 12 zu einem Objekt 13, beispielsweise zu einem Tumor, gelangen. Bis auf die Apertur 11 sind die Kollimatorplatten 3 für die Röntgenstrahlung 12 undurchlässig. Die die Röntgenstrahlung 12 absorbierenden schichtförmigen Einheiten werden durch eine Röntgenstrahlung absorbierende Flüssigkeit 9 gebildet. Solche Flüssigkeiten gibt es beispielsweise unter dem Handelsnahmen Galinstan^® auf dem Markt. Wo die Flüssigkeit 9 verdrängt ist bzw. fehlt, wird die Apertur 11 gebildet.
2 zeigt eine räumliche Darstellung eines adaptiven Filters 2 mit drei gestapelten Filterplatten 3. In den Filterplatten 3 sind die Kontur 10 bildende Aperturen 11 ausgebildet. Die Apertur 11 lässt eine Röntgenstrahlung 12 passieren. Bis auf die Apertur 11 sind die Filterplatten 3 für die Röntgenstrahlung 12 undurchlässig. Die eine Röntgenstrahlung 12 absorbierenden schichtförmigen Einheiten werden durch eine die Röntgenstrahlung 12 absorbierende Flüssigkeit 9 gebildet. Wo diese verdrängt ist bzw. fehlt, wird die Apertur 11 gebildet.
3 zeigt einen Ausschnitt einer Kollimatorplatte bzw. einer Filterplatte 3 in einer Explosionsansicht. Die Platte 3 umfasst einer erste schichtförmige Einheit 4, die zwischen einer zweiten und einer dritten schichtförmigen Einheit 5, 6 angeordnet ist. In der ersten schichtförmigen Einheit 4 befindet sich die die Röntgenstrahlung absorbierende Flüssigkeit 9. Die zweite schichtförmige Einheit 5 umfasst mehrere elektroaktive Polymerelemente 7 und eine nicht dargestellte elektrische Verdrahtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung. Die dritte schichtförmige Einheit 6 besteht aus einem für Röntgenstrahlung transparenten Material und besitzt eine Vielzahl von Ausbuchtungen 8, die in Form eines Gitters angeordnet sind. Durch Anlegung einer elektrischen Spannung an die zweite schichtförmige Einheit 5 werden die elektroaktiven Polymerelemente 7 in die Ausbuchtungen 8 gedrückt, wodurch die Flüssigkeit 9 aus den dazu korrespondierenden Bereichen der ersten schichtförmigen Einheit 4 verdrängt wird.
4 zeigt eine Draufsicht auf die zweite schichtförmige Einheit 5. Zu sehen sind die kreisförmigen elektroaktiven Polymerelemente 7, die auf einer Trägerplatte 20 angeordnet sind. Jedes Polymerelement 7 ist mit einer separaten Kupferleitung 16 mit einem Schaltelement 21 verbunden. Die Schaltelemente 21 sind ihrerseits mit einer Spannungsquelle 15 elektrisch leitend verbunden. Ist das Schaltelement 21 eingeschaltet, liegt an dem Polymerelement 7 ein elektrisches Potenzial. Da jedes Polymerelement 7 einzeln mit Spannung versorgt wird, können die Polymerelemente 7 auch einzeln aktiviert werden. Dadurch ist die Apertur in Form der gewünschten Kontur bildbar. Die Auflösung der Kontur steigt mit der Anzahl der Polymerelemente 7 und je kleiner diese sind.
5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil der zweiten schichtförmigen Einheit 5. Auf einer Leiterplatte 17 aus Kupfer liegt eine Isolierschicht 18. Durch die Isolierschicht 18 sind Kontaktdrähte 19 geführt, die die Leiterplatte 17 mit den auf einer Trägerplatte 20 aufgebrachten elektroaktiven Polymerelementen 7 verbinden. Die Leiterplatte 17 ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle 15 verbunden. Mit elektrischen Leitungen, beispielsweise Kupferleitungen 16, die mit den Polymerelementen 7 verbunden sind, werden die Polymerelemente 7 über die Schaltelemente 21 mit dem Minuspol der Spannungsquelle 15 verbunden. Die gewölbte Form der Polymerelemente 7 deutet an, dass diese aktiviert sind.
In 6 sind drei Platten 3 eines Konturkollimators 1 blockschaltmäßig dargestellt. Jede Platte 3 umfasst die gestapelte erste, zweite und dritte schichtförmige Einheit 4, 5, 6. Die zweite schichtförmige Einheit 5 wird lediglich mit einer einzigen Spannungsquelle 15 versorgt.
In 6 sind drei Platten 3 eines Filters 2 blockschaltmäßig dargestellt. Jede Filterplatte 3 umfasst die gestapelte erste, zweite und dritte schichtförmige Einheit 4, 5, 6. Die zweiten schichtförmigen Einheiten 5 werden jeweils mit einer eigenen Spannungsquelle 15 versorgt.
Der erfindungsgemäße Konturkollimator wird für die Röntgenstrahlentherapie und das erfindungsgemäße Filter wird für die Röntgenbildgebung verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Konturkollimator
2: Filter
3: Kollimatorplatte oder Filterplatte
4: erste schichtförmige Einheit
5: zweite schichtförmige Einheit
6: dritte schichtförmige Einheit
7: elektroaktives Polymerelement
8: Ausbuchtung in der dritten schichtförmigen Einheit 6
9: Röntgenstrahlung absorbierende Flüssigkeit
10: Kontur
11: Apertur
12: Röntgenstrahlung
13: Objekt
14: Steuereinheit
15: Spannungsquelle
16: Kupferleitung
17: Leiterplatte aus Kupfer
18: Isolierschicht
19: Kontaktdraht
20: Trägerplatte
21: Schaltelement

Claims

Konturkollimator (1) zur Einstellung einer Kontur (10) eines Strahlengangs einer Röntgenstrahlung (12), gekennzeichnet durch: – eine für Röntgenstrahlung (12) undurchlässige Flüssigkeit (9), und – mit der Flüssigkeit (9) in Wirkverbindung stehende elektroaktive Polymerelemente (7), die derart angeordnet und ausgebildet sind, – dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an mindestens eines der elektroaktiven Polymerelemente (7) die Flüssigkeit (9) teilweise verdrängbar ist, wodurch eine die Kontur (10) bildende Apertur (11) in der Flüssigkeit (9) gebildet wird.
Konturkollimator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine eutektische Legierung ist, die Gallium, Indium und Zinn enthält.
Konturkollimator (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: – eine erste schichtförmige Einheit (4) mit der Flüssigkeit (9).
Konturkollimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – eine zweite schichtförmige Einheit (5) mit den elektroaktiven Polymerelementen (7) und elektrischen Leitungen (16) zur Zuführung der elektrischen Spannung.
Konturkollimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – eine für Röntgenstrahlung (12) durchlässige dritte schichtförmige Einheit (6) mit einer Vielzahl von gitterförmig angeordneten Ausbuchtungen (8).
Konturkollimator (1) nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste schichtförmige Einheit (4) zwischen der zweiten und der dritten schichtförmigen Einheit (5, 6) derart angeordnet ist, dass bei Anliegen der elektrischen Spannung die elektroaktiven Polymerelemente (7) in die Ausbuchtungen (9) der dritten schichtförmigen Einheit (6) pressbar sind, wobei die Flüssigkeit (9) aus den Bereichen unterhalb der Ausbuchtungen (8) verdrängt wird, so dass die Apertur (11) in der ersten schichtförmigen Einheit (4) entsteht
Konturkollimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – mindestens eine Spannungsquelle (15) und – Schaltelemente (21), die die elektroaktiven Polymerelemente (7) mit der Spannungsquelle (15) elektrisch verbinden.
Konturkollimator (1) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch: – eine elektrische Steuereinheit (14), die die Schaltelemente (21) derart einschaltet, dass die Apertur (11) bildbar ist.
Konturkollimator (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste, zweite und dritte schichtförmige Einheiten (4, 5, 6) gestapelt sind.
Adaptives Filter (2) zur Einstellung einer Kontur (10) eines Strahlengangs einer Röntgenstrahlung (12), gekennzeichnet durch: – eine für Röntgenstrahlung (12) undurchlässige Flüssigkeit (9), und – mit der Flüssigkeit (9) in Wirkverbindung stehende elektroaktive Polymerelemente (7), die derart angeordnet und ausgebildet sind, – dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an mindestens eines der elektroaktiven Polymerelemente (7) die Flüssigkeit (9) teilweise verdrängbar ist, wodurch eine die Kontur (10) bildende Apertur (11) in der Flüssigkeit (9) gebildet wird.
Adaptives Filter (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine eutektische Legierung ist, die Gallium, Indium und Zinn enthält.
Adaptives Filter (2) nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch: – eine erste schichtförmige Einheit (4) mit der Flüssigkeit (9).
Adaptives Filter (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch: – eine zweite schichtförmige Einheit (5) mit den elektroaktiven Polymerelementen (7) und elektrischen Leitungen (16) zur Zuführung der elektrischen Spannung.
Adaptives Filter (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch: – eine für Röntgenstrahlung (12) durchlässige dritte schichtförmige Einheit (6) mit einer Vielzahl von gitterförmig angeordneten Ausbuchtungen (8).
Adaptives Filter (2) nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste schichtförmige Einheit (4) zwischen der zweiten und der dritten schichtförmigen Einheit (5, 6) derart angeordnet ist, dass bei Anliegen der elektrischen Spannung die elektroaktiven Polymerelemente (7) in die Ausbuchtungen (9) der dritten schichtförmigen Einheit (6) pressbar sind, wobei die Flüssigkeit (9) aus den Bereichen unterhalb der Ausbuchtungen (8) verdrängt wird, so dass die Apertur (11) in der ersten schichtförmigen Einheit (4) entsteht
Adaptives Filter (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch: – mindestens eine Spannungsquelle (15) und – Schaltelemente (21), die die elektroaktiven Polymerelemente (7) mit der Spannungsquelle (15) elektrisch verbinden.
Adaptives Filter (2) nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch: – eine elektrische Steuereinheit (14), die die Schaltelemente (21) derart einschaltet, dass die Apertur (11) bildbar ist.
Adaptives Filter (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste, zweite und dritte schichtförmige Einheiten (4, 5, 6) gestapelt sind.
Verfahren zur Einstellung einer Kontur (10) eines Strahlengangs einer Röntgenstrahlung (12) mit einem Konturkollimator (1) oder einem adaptiven Filter (2), dadurch gekennzeichnet, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an mehrere elektroaktive Polymerelemente (7) eine die Kontur (10) bildende Apertur (11) in einer für Röntgenstrahlung (12) undurchlässigen Flüssigkeit (9) gebildet wird, indem durch die durch die Spannung aktivierten elektroaktiven Polymerelemente (7) die Flüssigkeit (9) teilweise verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels die Spannung führender Schaltelemente (21) die elektroaktiven Polymerelemente (7) aktiviert und deaktiviert werden.